La struttura e la funzione della membrana plasmatica

La struttura e la funzione della membrana plasmatica

Le cellule sono separate dall'ambiente esterno da un sottile e fragile strato, della membrana plasmatica, il cui spessore è di soli 5-10nm. Al microscopio ottico non è possibile vederla, ma con le nuove tecniche di preparazione e di colorazione dei tessuti (fine anni '50) si raggiunse un livello tale da consentire di risolvere con chiarezza la membrana plasmatica al microscopio elettronico.

Funzioni della membrana plasmatica

Le funzioni della membrana plasmatica sono molteplici:

• Compartimentazione: le membrane delimitano compartimenti chiusi; la membrana plasmatica racchiude il contenuto dell'intera cellula, mentre le membrane dell'involucro nucleare e quelle citoplasmatiche delimitano differenti spazi intracellulari. La compartimentazione mantenuta dalle membrane permette che attività specializzate possono svolgersi senza interferenze esterne e che le attività cellulari possono essere regolate indipendentemente le une dalle altre.
• Supporto fisico per attività biochimiche: le membrane non solo delimitano dei compartimenti, ma costituiscono esse stesse un compartimento distinto: esse forniscono alla cellulare un'ampia impalcatura, all'interno della quale i vari componenti possono essere ordinati per interagire in modo efficace.
• Barriera con permeabilità selettiva: le membrane impediscono il libero scambio di molecole da un versante all'altro, ma allo stesso tempo, forniscono un mezzo di comunicazione tra i compartimenti che separano.
• Trasporto di soluti: la membrana plasmatica contiene i "meccanismi" necessari per il trasporto fisico di sostanze da un versante all'altro, spesso da una regione in cui il soluto è presente a bassa concentrazione verso una in cui è molto più concentrato. Essi consentono alla cellula di accumulare sostanze, come zuccheri e AA, necessarie per fornire energia al proprio metabolismo e per costruire le proprie macromolecole. La membrana plasmatica è anche in grado di trasportare ioni specifici, stabilendo, quindi, gradienti ionici tra i due versanti, citoplasmatico e extracellulare.
• Risposta a segnali esterni: la membrana plasmatica svolge un ruolo fondamentale nella risposta di una cellula agli stimoli esterni, un processo noto come trasduzione del segnale. Le membrane contengono dei recettori, che si combinano con molecole specifiche (ligandi) con struttura complementare. L'interazione di un recettore della membrana plasmatica con un ligando extracellulare può determinare la generazione da parte della membrana di un nuovo segnale intracellulare, che stimola o inibisce le attività interne.
• Interazioni intercellulari: la membrana plasmatica media le interazioni fra una cellula e le sue vicine. Essa permette alle cellule di riconoscersi fra loro, di aderire quando è il caso e di scambiarsi materiali ed informazioni.
• Trasferimento di energia: le membrane sono inoltre implicate nel trasferimento dell'energia chimica dai carboidrati e dai grassi all'ATP.

Doppio strato lipidico e modello a mosaico fluido

Teste polari possono interagire con le molecole di acqua circostanti, mentre le catene idrofobe aciliche degli acidi grassi sono protette dal contatto con l'ambiente acquoso. Il modello a mosaico fluido considera le membrane cellulari come strutture dinamiche le cui componenti sono mobili e capaci di entrare in contatto per partecipare a vari tipi di interazioni transitorie o semipermanenti. Tutte le membrane sono associazioni lipo-proteiche nella quali i componenti sono tenuti insieme in uno strato sottile da legami non covalenti. Le proteine di membrana svolgono la maggior parte delle funzioni specifiche; inoltre le membrane contengono carboidrati legati ai lipidi e alle proteine.

Lipidi di membrana

Le membrane contengono un'ampia varietà di lipidi tutti anfipatici, ossia contengono regioni idrofile e regioni idrofobiche. Esistono tre tipi principali di lipidi di membrana:

• Fosfogliceridi: contengono un gruppo fosfato, sono chiamati anche fosfolipidi. Sono digliceridi in quanto solo due dei gruppi ossidrili del glicerolo sono esterificati ad acidi grassi, il terzo è esterificato ad un gruppo fosfato idrofilo. Il gruppo aggiuntivo può essere rappresentato dalla colina (fosfatidilcolina, PC), etanolammina (fosfatidiletanolammina, PE), serina (fosfatidilserina, PS) o inositolo (fosfatidilinositolo, PI). Ognuno di questi gruppi insieme al gruppo fosfato forma una regione fortemente idrosolubile posta ad un estremo della molecola, chiamata testa. Le catene di acidi grassi sono invece catene idrocarburiche non ramificate, idrofobiche, approssimativamente lunghe da 16 a 22 atomi di carbonio. Gli acido grassi delle membrane possono essere saturi, monoinsaturi, polinsaturi. I fosfogliceridi spesso contengono una catena di acido grasso insaturo e una di acido grasso saturo.
• Sfingolipidi: lipidi di membrana rappresentati dai derivati della sfingosina. Essi sono formati da sfingosina legata ad un acido grasso mediante il suo gruppo amminico. Questa molecola è una ceramide. I diversi lipidi formati dalla sfingosina possiedono altri gruppi esterificati al gruppo alcolico terminale della sfingosina. Se il gruppo esterificato è la PC, la molecola è detta sfingomielina, l'unica a non avere un'impalcatura di glicerolo. Se il gruppo esterificato è un carboidrato, la molecola è un glicolipide. Se il carboidrato sostituente è uno zucchero semplice, il glicolipide è un cerebroside; se è un oligosaccaride il glicolipide è un ganglioside. Dato che tutti gli sfingolipidi hanno due lunghe catene idrocarburiche idrofobiche ad una estremità della molecola ed una regione idrofila all'altra, anch'essi sono anfipatici. Il sistema nervoso è particolarmente ricco di glicolipidi.
• Colesterolo: è uno sterolo, può rappresentare fino al 50% delle molecole lipidiche della membrana plasmatica. Manca nelle membrane plasmatiche della maggior parte delle cellule vegetali ed in tutte quelle batteriche. Le molecole di colesterolo sono orientate con il loro piccolo gruppo idrofilo verso la superfice della membrana e la loro coda idrofoba inclusa nel doppio strato lipidico. Gli anelli idrofobici di una molecola di colesterolo sono piani e rigidi, ed interferiscono con i movimenti delle code di acidi grassi dei fosfolipidi.

Ogni tipo di membrana cellulare ha la sua composizione lipidica caratteristica. La presenza di questo doppio foglietto di molecole lipidiche anfipatiche nelle membrane ha conseguenze di notevole importanza sulla struttura e sulle funzioni della cellula. Ne risulta che le membrane formano un sistema continuo e interconnesso che si ramifica all'interno della cellula. Grazie alla flessibilità del doppio strato lipidico, le membrane sono deformabili e la loro forma generale può cambiare quando è necessario come capita durante il movimento cellulare. Si pensa che il doppio strato lipidico faciliti la fusione o la gemmazione delle membrane. Un'altra importante caratteristica del doppio strato lipidico è la sua capacità di autoassemblarsi. Gli enzimi in grado di digerire i lipidi non possono attraversare la membrana plasmatica e di conseguenza possono solamente digerire i lipidi presenti nel foglietto esterno del doppio strato.

Asimmetria dei lipidi

Tutti i glicolipidi della membrana sono localizzati nello strato esterno, dove spesso svolgono la funzione di recettori per ligandi extracellulari. La PE è più abbondante nel foglietto interno, tende a favorire la curvatura della membrana. La PS si trova nel foglietto interno, rende la membrana adatta a legare cariche positive dei residui di lisina e arginina. PI si trova nel foglietto interno, gioca un ruolo importante nel trasferimento degli stimoli della membrana plasmatica del citoplasma.

Carboidrati di membrana

Il contenuto in carboidrati della membrana plasmatica può variare dal 2 al 10% in peso. Più del 90% dei carboidrati della membrana plasmatica sono rivolti verso l'ambiente extracellulare. Nelle glicoproteine, la componente glucidica è presente in forma di brevi oligosaccaridi ramificati idrofili, che solitamente possiedono meno di 15 residui monosaccaridici per catena. Gli oligosaccaridi possono essere uniti a numerosi AA diversi mediante due principali tipi di legame (N-glicosidico e N-acetilglucosammina). Questi carboidrati che sporgono dalla membrana svolgono un'importante funzione nel mediare le interazioni di una cellula con il suo ambiente e nello smistamento delle proteine di membrana ai diversi compartimenti cellulari.

Proteine di membrana

Una membrana può contenere centinaia di proteine differenti. Ogni proteina di membrana è orientata in una posizione ben definita rispetto al citoplasma pertanto le proprietà di una delle due superfici della membrana sono nettamente diverse da quelle dell'altra. Questa asimmetria di membrana può essere definita come "lateralità" di membrana. Le proteine di membrana possono essere suddivise in tre classi distinte in relazione all'intimità dei loro rapporti con il doppio strato lipidico:

• Proteine integrali: penetrano nel doppio strato lipidico. Sono proteine transmembrana, hanno perciò domini che sporgono sia dal lato extracellulare, sia da quello citosolico della membrana. Alcune proteine di membrana hanno una sola porzione che attraversa la membrana, altre invece ne hanno più di una. La maggior parte delle proteine di membrana svolge il ruolo di a) recettori capaci di legare specifiche molecole sulla superficie di membrana, b) canali o trasportatori coinvolti nel movimento di ioni o soluti attraverso la membrana oppure c) agenti che trasferiscono gli elettroni durante i processi di fotosintesi e respirazione. Sono anfipatiche. Le porzioni di una proteina integrale di membrana che si trovano all'interno del doppio strato lipidico hanno tendenzialmente un carattere idrofobico. I residui amminoacidici di questi domini transmembrana formano interazioni di Van der Waals con le catene di acidi grassi del doppio strato, fissando la proteina nella "parete" lipidica della membrana. Quelle porzioni di una proteina integrale di membrana che si proiettano nello spazio extracellulare o in quello citoplasmatico tendono ad essere simili alle proteine globulari. Questi domini non inclusi nel doppio strato lipidico hanno tendenzialmente delle superfici idrofile che interagiscono con sostanze idrosolubili alla superficie delle membrana. Diverse grandi famiglie di proteine integrali di membrana presentano un canale interno che forma un passaggio idrofilo attraverso il doppio strato lipidico.

Distruzione delle proteine integrali (congelamento-frattura)

L'idea che le proteine siano in grado di inserirsi all'interno delle membrane si è desunta principalmente dai risultati ottenuti con tecnica del congelamento-frattura (criofrattura) e replica. Il tessuto è congelato a temperatura molto bassa, intaccato con una lama, che frattura il blocco in due pezzi. Una volta che i foglietti delle membrane sono stati separati in questo modo, si depositano atomi di metallo sulle superfici esposte, dando origine ad una replica che è possibile osservare al microscopio elettronico; la replica assomiglia ad una strada disseminata da grossi ciottoli, detti particelle associate alla membrana.

• Proteine periferiche: situate completamente all'esterno del doppio strato lipidico. Queste proteine si legano alla superficie della membrana mediante legami non covalenti. La distinzione tra proteine integrali e periferiche è piuttosto sottile, perché molte proteine di membrana sono formate da diversi polipeptidi, alcuni dei quali penetrano nel doppio strato lipidico mentre altri rimangono in posizione periferica. Le proteine periferiche meglio studiate sono situate sulla faccia citosolica (interna) della membrana plasmatica. Queste proteine forniscono un supporto meccanico alla membrana e siti di ancoraggio per le proteine integrali di membrana. Altre proteine periferiche sulla superficie interna della membrana plasmatica agiscono come enzimi, come rivestimenti specializzati oppure come fattori che trasmettono segnali transmembrana.